并聯混合動力汽車綜合協調控制技術研究*

張　允侯麗華張黎黎梁春輝

（1.長春工程學院，長春130012；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130021）

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并聯混合動力汽車綜合協調控制技術研究*

張允1,2侯麗華1張黎黎2梁春輝1

（1.長春工程學院，長春130012；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春130021）

【摘要】針對并聯混合動力汽車（PHEV）工作狀態切換過程中面臨的多目標綜合協調控制問題，從多角度對其多目標綜合協調控制技術進行了研究，構建了HEV多目標綜合協調控制系統整車控制模型，提出了HEV整車控制器硬件電路總體設計方案，并搭建了HEV多目標綜合協調控制系統硬件在環仿真試驗平臺。基于所設計的硬件在環仿真試驗平臺和試驗臺架，分別針對應用多目標綜合協調控制技術前、后的整車動力性、經濟性、SOC平衡性及排放特性進行了對比分析，驗證了并聯混合動力汽車多目標綜合協調控制技術的有效性。

1　前言

因并聯混合動力汽車（PHEV）的動力耦合系統具有部件繁多且呈強非線性的特征，在汽車狀態切換過程中,動力耦合系統各部件的高效工作區和工作特性與控制需求差異較大，所以即便各單一部件達到最優工作狀態也未必會使得整體系統處于最優狀態。且對于各單一部件而言，其各子控制目標之間亦可能相互補充、相互獨立甚至可能是相互沖突的，故如何根據整車實時運行工況，對各控制目標進行綜合協調控制，以期在滿足車輛動力性需求的前提下，使SOC在規定范圍內變化，達到油耗最低、排放最少，已成為國內外眾多學者研究的熱點。

2　混合動力汽車多目標優化問題數學模型

實現對混合動力汽車狀態切換過程中車輛動力性、燃油經濟性、電池SOC平衡性及排放性能的多目標綜合協調控制，實質上是在給定約束條件下，針對多種競爭性目標進行折衷，求各子目標函數相對最優解的過程［1-4］。

多目標函數方程為：

約束條件為：式中，Vdk（x）為各采樣點處需求車速函數；Vtk（x）為各采樣點處實際車速函數；n為采樣點數；Vdiff（x）為車速差均值目標值函數，本文中Vdiff＜0.2表明車輛動力性較好；qdk（x）為期望燃油消耗函數；Vdifff（x）為燃油消耗差均值函數；SOCk（x）為采樣點處SOC實際值函數；SOCm（x）為SOC平衡值函數；ΔSOCm（x）為SOC實際值與平衡值之差均值的目標值函數和

fNOx（x）為行駛過程中尾氣排放函數為反映各目標參數重要程度的權值，需根據實際工況實時調整；h（·）（x）為與各子目標對應的約束函數；為所考慮模型的n個與車速、加速度、功率相關的決策變量；HEVd為燃油消耗目標值；ΔSOCm為SOC實際值與平衡值之差的均值的目標值，ΔSOCm越小，說明SOC波動越小，平衡性越好；mHC、mCO、mNOx為行駛過程中尾氣排放目標值。

3　混合動力汽車多目標綜合協調控制策略

3.1HEV多目標綜合協調控制算法

為解決混合動力汽車狀態切換過程中面臨的動態協調控制問題，需制定多目標綜合協調控制策略。首先根據采集到的電動機、發電機、電池等運行數據判斷混合動力汽車是否滿足狀態切換的條件，如果不滿足條件，則直接根據當前混合動力汽車運行狀態確定發動機和電動機的目標轉矩；如果滿足條件，則向動態協調控制算法發出狀態切換請求，進入狀態切換子程序。由于并不是所有的狀態切換過程都需要進行協調控制，因此需進一步判斷進行狀態切換的系統是否滿足協調控制的條件，若滿足條件，則進入多目標綜合協調控制子程序。因多目標綜合協調控制算法的控制目標是在滿足車輛動力性需求的前提下，故首先對各目標進行綜合分析，然后在此基礎上建立多目標優化問題數學模型，并確定對優化目標產生影響的各因素的指標權重，根據權重求出優化模型中各目標函數的相對最優解，獲得優化結果。動態協調控制算法流程及多目標綜合協調控制子程序流程分別如圖1和圖2所示。

圖1　動態協調控制算法流程

圖2　多目標綜合協調控制子程序流程

3.2HEV多目標綜合協調控制系統整車控制模型

結合HEV多目標綜合協調控制策略建立混合動力汽車多目標綜合協調控制系統整車控制模型，模型結構如圖3所示。

圖3　HEV多目標綜合協調控制系統整車控制模型

圖3中，工作模式數據處理模塊的功能是針對實測工作模式設定采樣時間段，計算該采樣時間段內工作模式的特征參數，然后對特征參數數據進行預處理（如異常點去除、去毛刺等），最終將處理后的特征參數數據輸出給工作模式識別模塊。工作模式識別模塊的功能是以采樣時間段為區間對特征參數數據進行連續預測識別，進而實時判斷有無工作模式切換發生，并預測識別出系統所切換到的工作模式。多目標優化控制模塊的功能是判斷狀態切換過程是否需要動態協調控制，若需要協調控制，則結合多目標綜合協調控制算法計算發動機油門開度、電機輸出轉矩等控制信號并傳送給整車動力學模型，以完成車輛的動態仿真。

4　基于dSPACE的多目標綜合協調控制硬件在環仿真試驗

4.1HEV整車控制器硬件電路總體設計方案

整車控制器（HCU）性能的好壞將直接決定HEV能否達到理想的控制目標，其主要功能是采集駕駛員的相關操作信息，通過CAN總線獲得整車行駛狀態信息以及電機、電池等其它電控系統的相關數據，在此基礎上結合控制策略對采集數據進行分析、運算和處理，將相應結果以控制命令或數據形式通過CAN總線發送給各外部子ECU（電機控制器、發動機控制器和電池控制器等）。各電控系統的微控制器單元根據所接收到的信息執行相應的操作與處理，進而實現對混合動力汽車的合理控制和對整車動力及能量的有效分配。基于模塊化設計思想，設計的硬件電路包括MCU最小系統模塊、輸入/輸出開關信號處理電路、輸入/輸出模擬信號處理電路、輸入/輸出脈沖信號處理電路、CAN總線通訊模塊及SCI串行口通信模塊［5～11］等。整車控制器結構原理框圖如圖4所示。

圖4　整車控制器結構原理框圖

4.2混合動力汽車綜合協調控制系統硬件在環仿真平臺開發

硬件在環仿真技術是當今汽車電子開發普遍采用的技術手段，該項技術在測試和驗證被開發系統的控制策略及運行可靠性的同時，還能有效降低試驗成本、縮短試驗周期［12］。圖5為混合動力汽車綜合協調控制系統硬件在環仿真試驗平臺架構，該平臺是由計算機、dSPACE實時仿真系統、駕駛室仿真器、HCU以及其它外圍通訊測試設備共同組成的一個閉環開發測試系統［13］。其中，計算機用于實現上位機監控，dSPACE的作用是將從駕駛室仿真器發送來的駕駛員操控信息轉換為HCU可以接受的開關信號、模擬信號與脈沖信號，同時對HCU發出的信號進行采樣，并接收由HCU發送的CAN總線通信信號,以實現該硬件在環仿真系統的閉環仿真。

圖5　硬件在環仿真試驗平臺架構

4.3混合動力汽車綜合協調控制硬件在環仿真試驗研究

完成了硬件在環仿真試驗平臺的搭建后，將設計的整車控制模型導入dSPACE中，將控制軟件安裝在HCU中,進一步對整車控制器的控制功能進行測試，并對應用協調控制策略前、后的整車性能進行比較、驗證。

4.3.1協調控制前、后整車動力性試驗對比

協調控制前、后整車動力性試驗結果對比如圖6所示。

圖6　協調控制前、后整車動力性試驗結果比較

由圖6a可看出，協調控制前車速變化連續性較差，協調控制后車速變化連續性明顯改善；由圖6b可看出，經協調控制后加速度變化的平滑性明顯優于未經協調控制時的變化情況，說明此時駕駛員行車過程中受到的沖擊減小，整車動力性及駕駛舒適性均得到提高。

4.3.2協調控制前、后發動機工作點和電機工作點對比圖7和圖8分別為協調控制前、后發動機工作點和電機工作點對比結果。從圖7和圖8可看出，協調控制后發動機工作點和電機的工作點均有所提高，表明經協調控制后發動機和電機的效率更高，經濟性更好。

圖7　協調控制前、后發動機工作點對比

圖8　協調控制前、后電機工作點對比

4.3.3協調控制前、后電池SOC變化情況對比

本文采用SOC值與平衡值SOCm之差的均值ΔSOCm作為電池能量平衡性的衡量標準，且定義ΔSOCm的變化范圍不超過5％，若ΔSOCm變化超過該范圍，說明該工況下車輛SOC的自平衡性不滿足要求［14］。圖9為協調控制前、后電池SOC變化情況對比結果。從圖9可看出，SOC平衡值為0.6，結合試驗中各采樣點數據可分別計算出協調控制前、后的ΔSOCm，分析計算結果可知，ΔSOCm從協調控制前的6％降至協調控制后的3％，達到允許范圍。可見，經協調控制后，電池SOC值被維持在一個合理的范圍內，動力電池亦具有較高的充放電效率，有利于延長電池壽命。

圖9　協調控制前、后SOC變化情況對比

5　臺架試驗結果及分析

為驗證與評價在工作狀態連續切換過程中多目標綜合協調控制策略的有效性，利用臺架試驗對應用協調控制策略前、后的3種典型循環工況的各項性能指標進行了測試，測試工況分別為美國US06測試循環（工況Ⅰ）、FTP測試循環（工況Ⅱ）和歐洲NEDC測試循環（工況Ⅲ）。試驗時選取車速差均值作為整車動力性評價指標，選取百公里油耗作為整車經濟性評價指標，選取電池SOC變化均值作為電池SOC平衡性評價指標，選取NOx、CO和HC排放數據作為排放性能評價指標。協調控制前、后各項性能指標的對比結果如表1所列。由表1可知，經協調控制后，整車動力性、經濟性、SOC平衡性及排放特性均比優化控制前有所提高，表明了所建立的協調控制策略的有效性。

表1　不同工況下多目標綜合協調控制臺架試驗結果

6　結束語

本文針對混合動力汽車狀態切換過程中車輛動力性、燃油經濟性、電池SOC平衡性及排放性能的多目標綜合協調控制問題，從數學模型構建、多目標綜合協調控制算法研究、整車控制器硬件電路總體方案設計、硬件在環仿真平臺開發等多角度對并聯混合動力客車多目標綜合協調控制技術進行了全面、系統的研究，并基于所設計的dSPACE硬件在環仿真試驗平臺及試驗臺架對所研究的協調控制技術進行了驗證。仿真與臺架試驗結果表明，應用多目標綜合協調控制策略后，整車動力性、經濟性、SOC平衡性及排放特性均得到了明顯改善，證明了該多目標綜合協調控制技術的可行性與有效性。

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（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月26日。

主題詞:并聯混合動力汽車綜合協調控制硬件在環仿真

Research on Comprehensive Coordination Control Technology for Parallel Hybrid Electric Vehicle

Zhang Yun1,2, Hou Lihua1, Bi Mingxuan3, Liang Chunhui1
（1.Changchun Institute of Technology, Changchun 130012; 2. State Key Laboratory of Automobile Simulation & Control, Jilin University, Changchun 130021）

【Abstract】For multi-objective comprehensive coordination control of parallel hybrid electric vehicle（PHEV）during operating state switching, multi-objective comprehensive coordination control technology is studied in many aspects, and a HEV multi-objective comprehensive coordination control system vehicle control model is built, and HEV vehicle controller hardware circuit overall design is proposed. In addition, HEV multi-objective comprehensive coordination control system hardware in the loop simulation platform is constructed. Based on the hardware in the loop simulation platform and the experimental bench, the vehicle power, economy, SOC balance and emission characteristics before and after the application of multi- objective comprehensive coordination control technology are compared and analyzed comparatively, and effectiveness of the multi-objective comprehensive coordination control technology is proved.

Key words:Parallel hybrid electric vehicle, Comprehensive coordination control, Hardware in the Loop Simulation

*基金項目：吉林省科技廳基金（201205046）；國家自然科學基金（51276079）。

中圖分類號:U469.72；TK401

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0036-05